JP6538084B2 - Phase matching system for multiple laser sources - Google Patents
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Description
本発明の分野は、多数の基本レーザー光源のコヒーレント結合の分野に関する。 The field of the invention relates to the field of coherent combining of a large number of elementary laser light sources.
レーザー光源のコヒーレント結合は、高出力レーザー光源および/または超短波パルス光源の場合、例えばピコ秒未満のパルス幅を有する高エネルギーレーザー光源の発生に特に応用可能である。 The coherent combination of laser light sources is particularly applicable to the generation of high energy laser light sources, for example with pulse widths of less than picoseconds, in the case of high power laser light sources and / or ultrashort pulse light sources.
高出力(または高エネルギー)かつ高輝度レーザー光源の取得は現在、利得材料の不安定性に起因して制約されている。この問題に対する1つの解決策は、複数の利得媒体にわたって増幅を並列に分散させることである。このために、各利得媒体から出力されるレーザービームが、レーザービームの全ての最適なコヒーレント結合を保証するために同相であることを要する。従って、並列に接続された利得媒体(例えばファイバ増幅器)のアセンブリを介した伝搬に起因する多数すなわちM個のレーザービームにわたって誘起される遅延を動的に補償することが必要である。位相固定されると、M本の初期レーザービームは建設的に干渉するため、ビームとしての品質(例えば、単一モードファイバの場合は回折により制限される)を保持しながら、輝度が基本アンプよりもM倍高い光源を形成する。従って、エミッタと同数の位相固定ループを設定することが課題である。 Acquisition of high power (or high energy) and high intensity laser light sources is currently constrained due to the instability of the gain material. One solution to this problem is to distribute the amplification in parallel across multiple gain media. To this end, it is necessary that the laser beams output from each gain medium be in phase to ensure all optimal coherent combination of the laser beams. Therefore, it is necessary to dynamically compensate for the induced delay across multiple or M laser beams due to propagation through an assembly of gain media (e.g., fiber amplifiers) connected in parallel. When phase-locked, the M initial laser beams interfere constructively, so the luminance is better than that of the basic amplifier, while maintaining the quality of the beam (eg, limited by diffraction for single mode fiber) Also forms a light source M times higher. Therefore, it is an issue to set the same number of phase locked loops as the emitters.
レーザー光源を位相整合するアーキテクチャは複数の基準に従って分類できる。最初に、ビームを空間的に結合または重ね合わせる方法が挙げられ、以下の2種類に区別される。
− タイル状開口結合。M本のレーザービームが視準され、並行な伝搬方向を有している。本結合モードは、レーダービーム形成アンテナの光学的均等物である。タイル状開口は次いで、強い主ローブおよび寄生的な副ローブを有している。
− 充実開口結合。M本のビームが偏光子または回折光学素子(DOE)を用いて近視野で重ね合わされる。充実開口結合方法の場合、遠視野に副ローブが存在しないため、効率性が利点である。
The architecture for phasing laser sources can be classified according to multiple criteria. First, there is a method of spatially combining or overlapping beams, and the following two types are distinguished.
-Tiled aperture connection. M laser beams are collimated and have parallel propagation directions. This coupled mode is the optical equivalent of a radar beamforming antenna. The tiled openings then have strong main lobes and parasitic side lobes.
-Full aperture connection. M beams are superimposed in the near field using polarizers or diffractive optical elements (DOE). In the case of the solid-aperture coupling method, efficiency is an advantage since there are no side lobes in the far field.
続いて誤差信号の性質、および複数のレーザー光源間の位相にわたって誤差信号に対抗し、かつレーザー光源のコヒーレントな追加を最適化することを可能にする処理が挙げられる。基本的に、負帰還信号に含まれる情報の量に応じてレーザービームをコヒーレント結合する4つの方法が区別および分類される。
− 「山登り」法と称する方法。すなわち、誤差信号は単に、結合対象であるM個のチャネル(ビーム)の位相を変化させることにより最大化される結合エネルギーの一部を除外することにより形成される。この技術は、M−1次元での勾配ベースの最適化アルゴリズムに基づいている。本例での複雑さは処理アルゴリズムにあり、スカラー信号である誤差信号は極めて簡単かつ低コストである。この方法の短所は、1/Mずつ変化するループの帯域幅にある。この方法は、従って、少数の、典型的には10本未満の結合ビームに向いている。
− 「光学ヘテロダイン検出」の頭文字からOHD法と称する方法。この方法では、基準ビームに関する各エミッタの位相の測定値からなる誤差信号はベクトル信号であり、チャネル毎に1個の検出器が用いられる。M個の測定値は、ヘテロダイン混合および復調を介して並行して取得される。この方法の短所は、以下の通りである。
○チャネル当たりのコストが上昇するRF要素を用いる。
○基準ビームに依存する。
○誤差信号は、結合前に測定され、最適な結合品質を保証せず、位相測定平面と結合平面との間で同相の変動を補償可能にしない。従って、システムを調整する必要がある。
− LOCSETまたは同期マルチディザ方と称する方法。山登り方法と同様に、この方法は結合エネルギーの一部を誤差信号として用いるが、この場合、RF変調を介して各チャネルを「周波数マーキング」することにより、各種のチャネルからの寄与が識別される。各ビームに対する誤差信号は次いで、基準ビームを用いるヘテロダイン混合から得られる。この方法が有利である理由は、1個の検出器のみを必要とし、かつ高速位相変調器が利用可能なことで多数のチャネルを認識できるためである。一方、負帰還ループ(ミキサー、変調器等)内に多数のRF要素が必要であるため、システムのチャネル当たりのコストが大幅に上昇する。同様の信号が、本例では同一周波数で各々のビームを時間的に順次変調することにより得られるが、システムの帯域幅に悪影響を及ぼす。
− エミッタ間の位相を直接測定する方法であって、誤差信号が、互いにまたは基準ビームに干渉する結合対象ビームのインターフェログラムから抽出された位相のマップとなる、方法。この直接干渉測定法は包括的である。すなわち、全ての位相がマトリクスセンサによる単一画像の記録を通じて得られ、従って多数のエミッタに完全に有用である。使用する撮像器のコストは、チャネルの個数で分割されるために重大ではない。一方、システムの帯域幅は、特に赤外域で使用するセンサにより制約される場合がある。しかし、これは基本的な制約ではない。最後に、OHD方法において位相は結合前に測定される。すなわち、位相測定平面と結合平面とが同相であるように変動を補償することができず、従って最適な結合品質が保証されない。従って、システムの較正が必要である。
These include the nature of the error signal, and a process that allows the error signal to be countered over the phase between multiple laser sources and to optimize the coherent addition of the laser sources. Basically, four methods of coherently combining laser beams are distinguished and classified according to the amount of information contained in the negative feedback signal.
-A method called the "hill climbing" method. That is, the error signal is formed simply by excluding some of the coupled energy that is maximized by changing the phase of the M channels (beams) to be combined. This technique is based on a gradient based optimization algorithm in the M-1 dimension. The complexity in this example lies in the processing algorithm, and the error signal, which is a scalar signal, is extremely simple and inexpensive. The disadvantage of this method is the bandwidth of the loop changing by 1 / M. This method is therefore directed to a small number of coupled beams, typically less than ten.
-The method from the acronym of "optical heterodyne detection" to the OHD method. In this method, the error signal, which is a measurement of the phase of each emitter with respect to the reference beam, is a vector signal and one detector is used per channel. M measurements are taken in parallel via heterodyne mixing and demodulation. The disadvantages of this method are as follows.
○ Use RF elements that increase the cost per channel.
○ It depends on the reference beam.
O The error signal is measured prior to coupling, does not guarantee optimal coupling quality, and does not make it possible to compensate for in-phase fluctuations between the phase measurement plane and the coupling plane. Therefore, it is necessary to adjust the system.
-A method called LOCSET or synchronous multi-dither method. Similar to the hill-climbing method, this method uses a fraction of the binding energy as an error signal, but in this case contributions from the various channels are identified by "frequency marking" each channel via RF modulation. . The error signal for each beam is then obtained from heterodyne mixing using a reference beam. This method is advantageous because it requires only a single detector and that a high speed phase modulator can be used to recognize multiple channels. On the other hand, the need for multiple RF elements in the negative feedback loop (mixer, modulator, etc.) significantly increases the cost per channel of the system. Similar signals are obtained in this example by sequentially modulating each beam in time at the same frequency, which adversely affects the bandwidth of the system.
-A method of directly measuring the phase between the emitters, wherein the error signal is a map of the phases extracted from interferograms of the combined target beams that interfere with one another or with the reference beam. This direct interference measurement is comprehensive. That is, all phases are obtained through the recording of a single image by the matrix sensor and are therefore completely useful for a large number of emitters. The cost of the imager used is not critical as it is divided by the number of channels. On the other hand, the bandwidth of the system may be constrained by the sensors used, especially in the infrared. However, this is not a basic limitation. Finally, the phase is measured before bonding in the OHD method. That is, it is not possible to compensate for fluctuations such that the phase measurement plane and the coupling plane are in phase, so that an optimum coupling quality is not guaranteed. Therefore, calibration of the system is required.
以下の表は、従来技術におけるコヒーレント結合技術をまとめたものである。網掛けされたセルは各方法の短所を示す。 The following table summarizes the coherent combining techniques in the prior art. The shaded cells show the disadvantages of each method.
従って、ループ帯域幅が1kHz超であり、ビームの本数が潜在的に100、1000、またはそれを超え、較正(結合平面内における誤差信号)なしでかつ低コストで動作するという条件を同時に満たすレーザービームをコヒーレント結合する既存のアーキテクチャは、現時点では存在しない。 Thus, a laser that simultaneously meets the requirement that the loop bandwidth be greater than 1 kHz, the number of beams potentially be 100, 1000 or more and that it operates at low cost without calibration (error signal in the coupling plane) Existing architectures that coherently combine beams do not exist at this time.
本発明の趣旨は、回折光学素子(DOE)を用いてレーザービームを空間的に結合するシステムである。本発明によるシステムは、この回折素子の独創的な利用に基づいており、ビームを空間的に結合することに加え、レーザー光源間の位相差を補償可能にする画期的な誤差信号を生成可能にする。この誤差信号は、より高い次数の回折結合素子により回折される強度から計算される。このような誤差信号は上述の条件を全て満たすことができる。 The subject matter of the present invention is a system for spatially combining laser beams using diffractive optical elements (DOE). The system according to the invention is based on the inventive use of this diffractive element, and in addition to spatially combining the beams, it can generate an innovative error signal that makes it possible to compensate for the phase difference between the laser light sources. Make it This error signal is calculated from the intensity diffracted by the higher order diffractive coupler. Such an error signal can satisfy all the conditions described above.
より具体的には、本発明の主題は、周期的な空間構成を有する、λ0を中心とする同一波長のM個(ここで、Mは2より大きい整数である)のレーザー光源を位相整合するシステムであって、
− 光源から生じるM本のビームを視準し、および周期的な位相格子を有する結合回折光学素子へ、ビーム毎に異なる入射角で誘導する手段であって、これらの入射角が格子の周期に応じて決定される、手段と、
− 前記光源の位相を、結合ビームから生じる負帰還信号に基づいて制御する手段と
を含む。
More specifically, the subject matter of the present invention phase-matches M laser light sources of the same wavelength centered on λ 0 (where M is an integer greater than 2) having a periodic spatial configuration. A system that
Means for collimating the M beams originating from the light source and for guiding them at different angles of incidence to the combined diffractive optical element with periodic phase gratings, these angles of incidence being equal to the period of the grating Means determined accordingly,
And-means for controlling the phase of the light source based on the negative feedback signal resulting from the combined beam.
本システムは、
− 結合ビームの一部を除外する手段と、
− 結合ビームのこの一部の経路上における、対物面および像面を有するフーリエレンズであって、結合回折光学素子がその対物面にある、フーリエレンズと、
− フーリエレンズの像面内における検出器のマトリクスであって、結合ビームの一部の強度分布を検出可能である、検出器のマトリクスと、
− これらの強度分布に基づいて負帰還信号を計算する手段と
を含むことを主な特徴とする。
This system is
-Means for excluding part of the combined beam,
A Fourier lens having an object plane and an image plane on this part path of the combined beam, the combined diffractive optical element being in its object plane,
A matrix of detectors in the image plane of the Fourier lens, which is capable of detecting the intensity distribution of part of the combined beam,
And-means for calculating a negative feedback signal based on these intensity distributions.
ベクトル誤差信号(そのサイズは、測定されたより高い次数の回折の個数で与えられる)が実際に得られるが、RF要素を用いる必要がない。更に、最適化が、位相固定ではなく(OHDおよび直接干渉測定技術を参照されたい)、むしろ結合強度を(より高い次数の強度を最小化することにより)直接目標としているため、本システムは原理的に較正を必要としない。 A vector error signal (whose size is given by the number of higher order diffractions measured) is actually obtained, but it is not necessary to use an RF element. Furthermore, the system is in principle because the optimization is not directly phase-locked (see OHD and direct interference measurement techniques), but rather directly targets the coupling strength (by minimizing the higher order strength). Need not be calibrated.
従って、以下の利点の組が得られる。
− LOCSETおよび山登り法に関して、誤差信号は結合平面内で生じ、従って較正を必要としない。
− 誤差信号は非冗長な測定値の組からなるため、単純な処理操作を介して負帰還信号を生成できるようになる。
− 本システムはRF素子を一切含まず、かつチャネル当たり1個の検出器のみを必要とするため、チャネル(ビーム)当たりのシステムコストが比較的低い。
− 本システムは、多数のチャネルおよび1kHzを超える帯域幅と互換性を有している。
Thus, the following set of advantages is obtained:
For the LOCSET and hill-climbing methods, the error signal occurs in the coupling plane and thus does not require calibration.
Since the error signal consists of a set of non-redundant measurements, it is possible to generate a negative feedback signal through simple processing operations.
The system cost per channel (beam) is relatively low, as the system does not contain any RF elements and only one detector per channel.
The system is compatible with a large number of channels and bandwidths exceeding 1 kHz.
本発明の一特徴によれば、負帰還信号を計算する手段は、1周期にわたって取得された結合回折光学素子の位相をフーリエ級数に展開することにより得られた係数により定義される、Mが奇数であればサイズ(2M−1)×(2M−1)の、およびMが偶数であれば2M×2Mの逆行列により、検出器のマトリクスの平面内で検出された強度分布の積を計算する手段を含む。 According to a feature of the invention, the means for calculating the negative feedback signal is defined by the coefficients obtained by expanding the phase of the combined diffractive optical element obtained over one period into a Fourier series, where M is an odd number Calculate the product of the intensity distribution detected in the plane of the detector matrix by the inverse matrix of size (2M-1) × (2M-1) if M and 2M × 2M if M is even Including means.
典型的にはM>100である。 Typically, M> 100.
好適には、光源は1または2次元の空間構成で配置されている。 Preferably, the light sources are arranged in a one or two dimensional spatial arrangement.
本発明の好適な一実施形態によれば、レーザー光源から生じるビームは同一の出射面を有し、本システムはまた、レーザー光源の出射面が位置する対物面と、結合回折光学素子が位置する像面とを有する別のフーリエレンズを含む。 According to a preferred embodiment of the invention, the beams emanating from the laser light source have identical exit faces, and the system also comprises an objective face on which the exit face of the laser light source is located, and a combined diffractive optical element And includes another Fourier lens having an image plane.
本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照しながら非限定的な例として記述する以下の詳細な説明を精査することで明らかになるであろう。 Other features and advantages of the present invention will become apparent on reading the following detailed description which is given by way of non-limiting example and with reference to the attached drawings.
1つの図において同一要素には同一参照符号が付されている。 The same reference numerals are assigned to the same elements in one figure.
本発明の趣旨は、第一に、図1の例に示すように、各種のレーザービーム10を結合する手段としての回折光学素子1(またはDOE)の使用に基づくシステムである。レーザービーム10は、DOEの空間周期により画定される角度でDOE1に入射する。ビームが位相固定され、かつ最適位相分布(DOEにより設定された)を有していれば、全てのビームが建設的にDOE11bの次数0(=主次数)で干渉し、より高い次数11aで破壊的に干渉する。
The gist of the invention is, first of all, a system based on the use of a diffractive optical element 1 (or DOE) as a means of combining
本発明の原理は、図2の例に示すように、結合を最適化するために誤差信号としてより高い次数のDOEで回折した強度分布11aを用いることである。本出願の方式では、LOCSETおよび山登り技術に関して、誤差信号はチェーンの終了時点(すなわちDOEの後)で測定されるため、ビームが受ける干渉の全てを考慮に入れることができる。図2の例がレーザービーム線形配列、従って1次元DOEを示す場合、提案する解決策は依然として、レーザービームの2次元配列および2次元DOEに等しく適用される点に注意されたい。 The principle of the present invention is to use the higher order DOE diffracted intensity distribution 11a as the error signal to optimize the coupling, as shown in the example of FIG. In the scheme of the present application, with respect to the LOCSET and hill climbing techniques, the error signal is measured at the end of the chain (ie after DOE), so all of the interference experienced by the beam can be taken into account. Note that if the example of FIG. 2 shows a laser beam linear array, and thus a one-dimensional DOE, the proposed solution still applies equally to a two-dimensional array of laser beams and a two-dimensional DOE.
図2を参照しながら、本発明によるM個のレーザー光源を位相整合するシステムについて記述する。M個のレーザー光源は、λ0を中心とする同一波長を有している。これらのレーザー光源はパルス光源であってよい。パルス幅も10−12秒未満であってよい。 A system for phase-matching M laser light sources according to the present invention will be described with reference to FIG. The M laser light sources have the same wavelength centered at λ 0 . These laser light sources may be pulsed light sources. The pulse width may also be less than 10-12 seconds.
本システムは、以下を含んでいる。
− M個の位相変調器、すなわち各レーザー光源の出力側に1個の変調器4。
− フーリエレンズ14の像面内に位置する所定空間周期の位相格子を有する結合DOE1。変調器から生じるM本のビームがこのフーリエレンズ14によりDOE1へ誘導される。各ビームは、DOEの空間周期により画定された特定の入射角でDOEに入射する。
− 高反射鏡5(例えば1%を除外する)または偏光立方体ビームスプリッタ等、結合ビーム11の一部12を除外する手段。好適には1/M未満を除外するように選択されている。結合ビームの他の一部は、本システムの出力ビーム13を形成する。
− 統合DOE1が位置する対物面内の第2のフーリエレンズ6。
− DOE1により結合されたビームの回折の次数の分数の強度分布11b、11aを検出可能である、第2のフーリエレンズ6の像面(=平面B)内の検出器7のマトリクス。
− 検出器のマトリクスの平面内のこれらの分布から負帰還信号を計算する手段8。これらの計算手段8は、M個の位相変調器4を制御するためにこれらに接続されている。
The system includes:
M phase modulators, ie one
A means for excluding a
A second Fourier lens 6 in the object plane in which the
A matrix of
M本のビームは、様々な方法でDOE1へ誘導することができる。本システムは、DOEの上流に、例えば、
− M個のレーザー光源を生成するために「1対M」カプラ3に接続された同一の主発振器2と、
− 潜在的に、各々が位相変調器4に接続されたM個のアンプ9と
を含む。
The M beams can be directed to DOE1 in various ways. The system upstream of the DOE, eg
-An identical master oscillator 2 connected to the "1 to M" coupler 3 to generate M laser light sources,
Potentially including
M本のレーザービーム(アンプまたは変調器から生じる)の出射面(=平面A)は、図2に示すピッチPの空間的に周期的な構成でフーリエレンズ14の対物面内に位置する。
The exit surface (= plane A) of the M laser beams (from the amplifier or modulator) is located in the object plane of the
一変形形態によれば、M個のレーザー光源は、各光源に関連付けられたコリメータレンズを有し、DOEの空間周期により画定された特定の入射角でビームが結合DOEに入射するように周期的な角度および空間構成に直接配置されている。 According to a variant, the M laser light sources have a collimator lens associated with each light source and are periodic such that the beams are incident on the combined DOE at a specific incident angle defined by the spatial period of the DOE It is directly arranged in various angles and spatial configurations.
負帰還信号を計算する手段8について以下で考察する。これらの計算手段により解決すべき問題は、従って、以下のように提起される。
− 問題の変数は、各レーザー光源から生じる電磁場の重ね合せから形成される電磁場の空間分布である。
− 電磁場の強度分布は、2個の別々の平面内に位置することが分かっているものと仮定する。すなわち、光源の出射面(図2の平面A)内の均一な(または測定された)分布IA、およびDOEにより(図2の平面B内で)結合された後で測定された分布IBである。
The
The variable in question is the spatial distribution of the electromagnetic field formed from the superposition of the electromagnetic fields originating from each laser light source.
It is assumed that the intensity distribution of the electromagnetic field is known to lie in two separate planes. That is, a uniform (or measured) distribution I A in the exit face of the light source (plane A in FIG. 2) and a distribution I B measured after being coupled by DOE (in plane B in FIG. 2) It is.
その目的は、AからBへデジタル的に伝搬される電磁場
この問題は、例えば天文学で遭遇する強度の画像歪みからの位相逸脱の測定における問題に類似している。この問題を解決する例示的な方法を文献に見出すことができる。以下の文献を引用することができる。すなわち、R.G.Paxman and J.R.Fienup,“Optical misalignment sensing and image reconstruction using phase diversity”,J.Opt.Soc.Am.A5,914−923(1988)、またはJ.N.Cederquist,J.R.Fienup,C.C.Wackerman,S.R.Robinson,and D.Kryskowski,“Wave−front phase estimation from Fourier intensity measurements”,J.Opt,Soc.Am A6,1020−1026(1989)、またはR.G.Paxman,T.J.,Schulz,J.R.Fienup,“Joint estimation of object and aberrations by using phase diversity”,J.Opt.Soc.Am,A9,1072−1085(1992)。 This problem is similar, for example, to the problem in the measurement of the phase deviation from the intensity image distortions encountered in astronomy. An exemplary way of solving this problem can be found in the literature. The following documents can be cited: That is, R. G. Paxman and J. R. Fienup, “Optical misalignment sensing and image reconstruction using phase diversity”, J. Opt. Soc. Am. A 5, 914-923 (1988), or J.A. N. Cederquist, J.M. R. Fienup, C.I. C. Wackerman, S .; R. Robinson, and D. Kryskowski, "Wave-front phase estimation from Fourier intensity measurements", J. Org. Opt, Soc. Am A6, 1020-1026 (1989), or R.A. G. Paxman, T .; J. , Schulz, J. et al. R. Fienup, "Joint estimation of object and aberrations by using phase diversity", J.F. Opt. Soc. Am, A9, 1072-1085 (1992).
この種の方法の主な短所は、(解を求めるためにAからBまでの光伝搬を含む計算に)デジタルフーリエ変換を利用するため、潜在的に長い計算時間(典型的には1秒よりも大幅に長い)を要することである。 The main disadvantage of this type of method is that it takes a potentially long computation time (typically more than one second) to use the digital Fourier transform (for calculations involving light propagation from A to B to solve) Also much longer).
本発明によるシステムでは、位相計算の大幅な簡素化は、平面Aの電磁場分布からの平面Bの電磁場分布の計算が既知の行列を用いる単純な積により行えることによる。 In the system according to the invention, the significant simplification of the phase calculation is due to the fact that the calculation of the field distribution of plane B from the field distribution of plane A can be done by a simple product using a known matrix.
具体的には、Aで考慮するM本のレーザービームに対して、Aの電場分布は、Mのパリティによれば、次式のように書くことができる。
M=2N+1であれば、
− ωは平面A内のビーム(ガウシアンと仮定される)のウエストであり、
− Pは平面A内のビームの位置の周期であり、
− αkは第kビームの振幅に関する重み係数(本例では例えばαk=1、但しM=2N+1であればkは−N〜+Nであり、M=2Nであればkは−N+1〜+Nであり、さもなければαk=0)であり、
− φkは第kビームの光位相であり、
− δはディラック関数、および*は重畳演算子である。
Specifically, for M laser beams considered in A, the electric field distribution of A can be written according to the parity of M as follows.
If M = 2N + 1, then
-Ω is the waist of the beam in plane A (assumed to be Gaussian),
-P is the period of the position of the beam in plane A,
− Α k is a weighting coefficient relating to the amplitude of the k-th beam (in this example, for example, α k = 1, where k is −N to + N if M = 2N + 1, and k is −
− Φ k is the optical phase of the k th beam,
-Δ is the Dirac function, and * is the convolution operator.
DOEの平面内の電場は、EA(x)のフーリエ変換およびDOEの位相に関する伝達関数eiφDOE(u)との乗算により得られる。
測定平面(平面B)まで伝搬される電場は、EDOE(u)のフーリエ変換を介して再度得られる。
更に、DOEの位相と同様に、構造により、周期が1/P(uは遠視野にあると考える)である周期関数eiφDOE(u)をフーリエ級数形式で書くことができる。
M本のビームを1本に結合するために結合DOEが計算される。対照的に、同一のDOEにより回折された1本のビームは基本的に、強度が同じ次数(≒I1)M本のビーム(主ビームと称する)、およびより小さい強度I2(I2<<I1)かつより高い次数の無数のビームを生成する。換言すれば、これは係数ckに対して以下の関係を意味する。
|ck|2≒1/M(M=2N+1である場合にkは−N〜+Nであり、およびM=2Nである場合にkは−N+1〜+Nである)
|ck|2<<1/M(上記以外の場合)
A combined DOE is calculated to combine M beams into one. In contrast, one beam diffracted by the same DOE essentially has M beams of the same order (主 I 1 ) of the same intensity (referred to as the main beam) and a smaller intensity I 2 (I 2 <<I 1 ) Generate an infinite number of beams of higher orders. In other words, this means the following relationship for the coefficient ck :
| C k | 2 1/1 / M (k is −N to + N when M = 2N + 1, and k is −
| C k | 2 << 1 / M (other than the above)
上述のEB(x)に関する式の項ck+hαhは、従って、
[−N≦k+h≦+N]∪[−N≦h≦+N](M=2N+1である場合)、または
[−N+1≦k+h≦+N]∪[−N+1≦h≦+N](M=2Nである場合)
の無視できない値を有している。あるいは、
k∈{−2N,・・・,+2N}(M=2N+1である場合)、または
k∈{−2N+1,・・・,+2N}(M=2Nである場合)
である。
The term c k + h α h of the above equation for E B (x) is therefore
[−N ≦ k + h ≦ + N] ∪ [−N ≦ h ≦ + N] (when M = 2N + 1), or [−N + 1 ≦ k + h ≦ + N] ∪ [−N + 1 ≦ h ≦ + N] (M = 2N If)
Has an unignorable value of. Or
k ∈ {-2 N, ..., + 2 N} (when M = 2 N + 1), or k ∈ {-2 N + 1, ..., + 2 N} (when M = 2 N)
It is.
一般に、EB(x)に関する式は、従って、添字kおよびhがM=2N+1の場合に−2Nから+2Nとなり:
次いで行列積の式が識別され、M=2N+1の場合に以下のように書ける。
HDOEは、1周期にわたって取られたDOEの位相のフーリエ級数への展開係数ckにより定義される行列である。この行列は、従って、DOEの構築を通じて先験的に知られている。上述のように、実際には、奇数のMが2N+1に等しい場合にM本のレーザービームを結合するためにDOEが計算されるため、以下の等式を得るにはフーリエ級数で2M−1個の係数が必要である。
Mが2Nに等しい偶数の場合、2M個の係数が必要である。
平面Aから平面BへのM本のビームの光伝搬は、従って、Mが奇数であればサイズ(2M−1)×(2M−1)の、およびMが偶数であれば2M×2Mの行列(行列HDOE)とベクトルEAとの単純な積を通じて計算される。通常の方法で用いるフーリエ変換はこの行列HDOEで代替されている。従って、光検知器のマトリクスにより平面B内で検出された分布からの、平面A内における電磁場分布の計算は、この行列HDOEの逆行列と平面B内で検出された強度分布との単純な積を通じて実現される。 The light propagation of M beams from plane A to plane B is thus a matrix of size (2M-1) × (2M-1) if M is odd and a 2M × 2M matrix if M is even Calculated through a simple product of (matrix H DOE ) and vector E A. The Fourier transform used in the usual way is replaced by this matrix H DOE . Thus, the calculation of the electromagnetic field distribution in plane A from the distribution detected in plane B by the matrix of photodetectors is simply the inverse of this matrix H DOE and the intensity distribution detected in plane B. It is realized through multiplication.
平面A内でこのように計算された電磁場分布から、従来通り位相が計算される。平面A内における電磁場分布のこのような簡素化された計算により、例えば反復的であるか、または最大種類を探索する位相計算アルゴリズム(=負帰還信号の計算)の速度が大幅に向上するため、負帰還信号を計算するこれらの手段を、たとえ数千本のビームに対してもリアルタイムで実行することができる。例示的な反復的位相計算として、以下の文献に記述されている計算を引用することができる。
− J.Markham and J.A.Conchello,“Parametric blind deconvolution:a robust method for the simultaneous estimation of image and blur”,J.Opt.Soc.Am.A 16(10),2377−2391(1999);
− J.R.Fienup,“Phase retrieval algorithms:a comparison”,Appl.Opt.21(15),2758−2769(1982)。
From the electromagnetic field distribution thus calculated in plane A, the phase is calculated as before. Such a simplified calculation of the electromagnetic field distribution in plane A significantly improves, for example, the speed of the phase calculation algorithm (= calculation of the negative feedback signal) which is iterative or searching for the largest kind, These means of calculating the negative feedback signal can be implemented in real time, even for several thousand beams. The calculations described in the following document can be cited as an exemplary iterative phase calculation.
-J. Markham and J. A. Conchello, "Parametric blind deconvolution: a robust method for the simultaneous estimation of image and blur", J. Am. Opt. Soc. Am. A 16 (10), 2377-2391 (1999);
-J. R. Fienup, "Phase retrieval algorithms: a comparison", Appl. Opt. 21 (15), 2758-2769 (1982).
上述の例において、結合DOEは透過により動作するが、本発明のシステムは反射DOEを用いる場合でも有効である。 In the above example, the coupled DOE works by transmission, but the system of the invention is also effective when using a reflective DOE.
Claims (7)
− 前記光源から生じるM本のビームを視準し、および周期的な位相格子を有する結合回折光学素子(1)へ、ビーム毎に異なる入射角θ2kで誘導する手段であって、前記入射角が前記格子の周期に応じて決定される、手段と、
− 前記光源の位相を、前記結合ビームから生じる負帰還信号に基づいて制御する手段と、
− 前記結合ビームの一部(12)を除外する手段(5)と、
− 前記結合ビームの前記一部の経路上における、対物面および像面を有するフーリエレンズ(6)であって、前記結合回折光学素子(1)がその対物面にある、フーリエレンズ(6)と、
− 前記フーリエレンズ(6)の前記像面内における検出器のマトリクス(7)であって、前記結合ビームの前記一部の強度分布を検出可能である、検出器のマトリクス(7)と
を含む、システムにおいて、
− 前記強度分布に基づいて前記負帰還信号を計算する手段(8)を含み、前記手段(8)は、1周期にわたって取得された前記結合回折光学素子の位相をフーリエ級数に展開することにより得られた係数により定義される、Mが奇数であればサイズ(2M−1)×(2M−1)の、およびMが偶数であれば2M×2Mの逆行列により、前記検出器のマトリクスの平面内で検出された前記強度分布の積を計算する手段を含むことを特徴とする、システム。 A system for phase matching M (where M is an integer greater than 2) laser light sources of the same wavelength centered on λ 0 , having a periodic spatial configuration,
-Means for collimating M beams originating from the light source and guiding the beams to the combined diffractive optical element (1) having a periodic phase grating at different incident angles θ 2k , said incident angles Means determined according to the period of the grid,
Means for controlling the phase of the light source based on a negative feedback signal resulting from the combined beam;
-Means (5) for excluding a portion (12) of the combined beam;
A Fourier lens (6) having an object plane and an image plane on the path of the part of the combined beam, wherein the combined diffractive optical element (1) is in its object plane and ,
A matrix (7) of detectors (7) in the image plane of the Fourier lens (6), which is capable of detecting the intensity distribution of the part of the combined beam , In the system,
-Means (8) for calculating the negative feedback signal based on the intensity distribution, said means (8) obtained by expanding the phase of the combined diffractive optical element obtained over one period into a Fourier series The plane of the matrix of said detector by the inverse matrix of size (2M-1) × (2M-1) if M is odd and 2M × 2M if M is even, as defined by the coefficients A system, characterized in that it comprises means for calculating the product of the intensity distribution detected therein.
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